Kvantesvingninger kontrolleres for første gang, sier optikkforskere – Physics World

Kvantesvingninger kontrolleres for første gang, sier optikkforskere – Physics World

Tidsstempel: 7. august 2023 kl.9: 30

Kvantetilfeldige talleksperiment
Kvantekontroll: det eksperimentelle oppsettet som brukes til å generere justerbare tilfeldige tall fra vakuumsvingninger. (Med tillatelse: Charles Roques-Carmes, Yannick Salamin)

En ny teknikk for å utnytte de tilfeldige energisvingningene som er tilstede i tomt rom og forspenning av svingningene med et anvendt felt, har blitt demonstrert av amerikanske forskere. Forskerne mener at teknikken kan ha applikasjoner fra sansing til generering av tilfeldige tall i probabilistisk optisk databehandling.

Akkurat som det forbyr en partikkel å bli fullstendig fratatt momentum, hindrer Heisenbergs usikkerhetsprinsipp et system fra å være totalt blottet for energi. I kvantemekanikken er derfor et vakuum befolket av små svingninger i det elektriske feltet ved tilfeldige frekvenser. Disse er normalt for små til å være eksperimentelt relevante, men i spesifikke situasjoner kan de bli viktige.

I 2021, for eksempel, teoretisk fysiker Ortwin Hess fra Trinity College Dublin og kolleger ledet av Hui Cao ved Yale University i Connecticut benyttet disse svingningene til å produsere en tilfeldig tallgenerator fra en multi-modus laser. "I laserbeskrivelsen vi brukte den gang, [beskrev vi] uforutsigbarheten og julingen som ville følge av de mange modusene som samhandlet," forklarer Hess; "men det var en veldig interessant konsekvens som tillot høsting av kvantesvingningene."

Tilfeldige vanskeligheter

Til tross for utbredt bruk i kryptografi og datasimuleringer, er sett med sanne tilfeldige tall notorisk vanskelig å generere. Dette gjør Cao og Hess sitt arbeid av stor interesse utenfor feltet kvanteoptikk.

I det nye arbeidet tok forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) dette konseptet et skritt videre ved å bruke et eksternt signal for å forstyrre kvantesvingningene og måle effekten av denne interferensen. Yannick Salamin, Charles Roques-Carmes og kolleger plasserte en litiumniobatkrystall i et optisk hulrom og pumpet det med fotoner fra en laser. Dette genererte eksiterte tilstander i krystallen som forfalt for å produsere to fotoner med nøyaktig halvparten av energien til pumpefotonene.

"Fasen som disse fotonene vil ha er helt tilfeldig fordi de utløses av vakuumfluktuasjonene," forklarer Salamin, "men nå vil fotonet sirkulere i hulrommet, og når neste foton kommer, kan det gi energi til det samme fotonet og forsterke den. Men på grunn av effektens fysiske natur, kan bare to mulige faser forsterkes."

Bifurkasjonsovergang

Fotoner blir opprinnelig forsterket med begge fasene, men systemet gjennomgår en "bifurkasjonsovergang" og velger den ene eller den andre modusen så snart nok energi samler seg i den modusen til å overvinne tap. "Når du er i steady state, er resultatet fast," forklarer Roques-Carmes. "Hvis du ønsker å få en ny prøve, må du starte hele prosessen på nytt, gå tilbake til vakuumfordelingen og gå gjennom bifurkasjonen igjen," legger han til.

Når ingen ekstern skjevhet ble brukt, var det like sannsynlig at hulrommet havnet i en av de to mulige modusene, og de relative frekvensene til forskjellige kombinasjoner av utfall etter gjentatte forsøk dannet en perfekt Gauss-fordeling. Forskerne brukte deretter et pulsert elektromagnetisk felt som ble dempet til det var i størrelsesorden vakuumsvingningene. De fant ut at selv om systemet fortsatt kunne slå seg ned i begge tilstandene, kunne de påvirke sannsynligheten for at det ville velge en tilstand fremfor den andre. Når de brukte en sterkere skjevhet, valgte systemet konsekvent den samme tilstanden.

Teamet studerer nå mulige applikasjoner, inkludert probabilistisk databehandling. "Den generelle ideen er at ved å koble mange p-biter [sannsynlighetsbiter] sammen kan vi bygge en p-datamaskin," sier Roques-Carmes. "Det er mange områder av vitenskap hvor du ønsker å kunne kode usikkerhet ... Vi planlegger å ta denne fotoniske p-biten og inkorporere den i en fotonisk prosesseringsenhet." Forskningen undersøker også muligheten for å bruke systemets respons på små elektriske felt for å produsere en sensor.

Forskningen er beskrevet i Vitenskap og Hess er opptatt av resultatene som er beskrevet i papiret. "Det er ganske eksepsjonelt, fordi det er nesten som om du fordreier ting uten noe," sier Hess, som ikke var involvert i dette siste arbeidet. «Det som imponerte meg er at de har en veldig fin måte å skrive manuskriptet på – de kobler det veldig sterkt opp med noen av de store mesterne innen laservitenskap som Lamb og Purcell – de siterer Hawking og Unruh. På 1950- og 1960-tallet var det egentlig ikke klart hvor mange av disse prosessene som oppsto og hvordan svingninger kan endres etter hvor de skjer...Det er mange flere applikasjoner der man kan bruke dette, men fra et grunnleggende synspunkt Jeg er bare imponert over det faktum at de eksperimentelt har vist at kvantestatistikk fortsatt er kvantestatistikk selv om den er partisk på en eller annen måte."

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden